專利名稱：用于輻射屏蔽的碳化硼－球墨鑄鐵材料、結構及制備方法
技術領域：
本發明涉及材料制造領域，特別是涉及用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料、 用于輻射屏蔽的結構、及用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料的制備方法。
背景技術：
硼具有優越的屏蔽熱中子及抑制俘獲射線的核特性，而鐵也是常用的輻射屏蔽材料。為了綜合二者的優點，把硼加入到鋼中得到高B含量鋼。不過，目前制造的這種硼鋼具有以下問題一是在熔煉過程中硼的燒損量較大 (高達20 30% ) ；二是溶解在鋼中的硼一般會和鐵生成低熔點的FeB或者!^e2B,其偏聚在奧氏體晶界形成連續的網狀而導致硼鋼變脆。因此，需要一種既有優良核特性又有足夠強度和韌性的高硼含量輻射屏蔽材料。

發明內容
本發明的各實施例提供用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料、用于輻射屏蔽的結構、及用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料的制備方法，由此能夠形成既有優良核特性又有足夠強度和韌性的高硼含量的輻射屏蔽材料和輻射屏蔽結構。根據本發明的一個方面，提供一種用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料的制備方法，其包括以下步驟將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中以形成含硼球墨鑄鐵液體；將所述含硼球墨鑄鐵液體凝固以形成具有球墨鑄鐵基體和B4C顆粒的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料。較佳地，在本發明的各實施例中，所述制備方法進一步包括在將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中之前，在所述含B4C顆粒的表面上形成完全包覆或部分包覆的保護層。 較佳地，在本發明的各實施例中，所述保護層是含鎳保護層。較佳地，在本發明的各實施例中，所述含鎳保護層的厚度為10微米以上，優選地為10 50微米，更優選地為10 20微米。較佳地，在本發明的各實施例中，所述含B4C顆粒的粒度為0. 05 0. 50mm,優選地為0. 10 0. 40mm,更優選地為 0. 10 0. 35mm ；禾口/ 或所述含B4C顆粒的重量百分比為0. 50 3. 00%，優選地為0. 60 3. 00%，更優選地為0. 70 2. 80%。較佳地，在本發明的各實施例中，在將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中時，所述液態的球墨鑄鐵的溫度為1200 1400°C，優選地為1300 1400°C，更優選地為1320 1360 O。
根據本發明的另一方面，提供一種用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料，所述用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料利用如前所述的制備方法制成。較佳地，在本發明的各實施例中，所述用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料中包含的硼的重量百分比為0. 5-3. 0%，優選地為1. 0-2. 0%，更優選地為1. 5-2. 0%。較佳地，在本發明的各實施例中，所述球墨鑄鐵是QT500-7至QT700-2的球墨鑄鐵。根據本發明的又一方面，提供一種用于輻射屏蔽的結構，其通過如前所述的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料構成。通過本發明的實施例提供的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料、用于輻射屏蔽的結構、及用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料的制備方法，能夠形成既有優良核特性又有足夠強度和韌性的高硼含量輻射屏蔽材料和輻射屏蔽結構。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，以下將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，以下描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員而言，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖所示實施例得到其它的實施例及其附圖。圖1是根據本發明的實施例的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料制備方法的流程圖。
具體實施例方式以下將結合附圖對本發明各實施例的技術方案進行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例， 本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所得到的所有其它實施例，都屬于本發明所保護的范圍。根據本發明的一個方面，提供一種用于輻射屏蔽的碳化硼 4C)_球墨鑄鐵材料 (輻射屏蔽材料)的制備方法，其包括以下步驟將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中以形成含硼球墨鑄鐵液體(例如，如圖1中的步驟110所示)；將所述含硼球墨鑄鐵液體凝固以形成具有球墨鑄鐵基體和B4C顆粒的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料(例如，如圖1中的步驟120所示)。根據本發明的實施例提供的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料的制備方法， 制備出B4C-球墨鑄鐵的復合材料作為輻射屏蔽材料，通過將含B4C顆粒加入(例如以隨流方式加入)液態球墨鑄鐵(鐵水)中并在此后進行凝固，能夠得到以高強韌球墨鑄鐵為基體的嵌有未溶解的高硬度B4C顆粒(B4C具有很高的含硼量，為73% )的復合材料，從而使得結果得到的復合材料一方面保持了球墨鑄鐵基體的強度和韌性，另一方面還由于包含高硬度B4C顆粒而具有很高的耐磨性。重要的是，根據本發明的實施例的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料的制備方法制備出的復合材料可以包含高達2-3%的硼含量(重量百分比)，從而能夠作為輻射屏蔽材料而有效實現輻射屏蔽作用(例如良好的中子屏蔽作用)，此外，由于B4C材料還具有較高的強度、韌性、和耐磨性，因而使包含B4C顆粒的結果得到的復合材料具有更佳的整體性能。在一個實施例中，在澆注液態球墨鑄鐵(鐵水)的同時，加入(例如隨流加入)含 B4C顆粒(即，將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中)，使含B4C顆粒可在澆注系統中就與液態球墨鑄鐵混合均勻。較佳地，在本發明的各實施例中，所述制備方法進一步包括在將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中之前，在所述含B4C顆粒的表面上形成完全包覆或部分包覆的保護層。較佳地，在本發明的各實施例中，所述保護層是含鎳保護層。利用鎳形成保護層， 可在含B4C顆粒的表面(全部或部分)形成晶體保護結構，這種形成含鎳保護層的方式工藝成熟，因而成本相對較低且質量穩定可靠。通過這樣的含鎳保護層，可有效防止含B4C顆粒在高溫的液態球墨鑄鐵中過度溶解或發生不希望出現的化學反應，從而能夠在最終得到的復合材料(輻射屏蔽材料)內保留足夠量的B4C顆粒顆粒。應理解，含B4C顆粒是否具有保護層(例如含鎳保護層)是可選的特征，也就是說，根據本發明實施例的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料制備方法制備出的作為輻射屏蔽材料的復合材料既可以通過純B4C顆粒和球墨鑄鐵基體材料制成，也可以通過具有保護層(例如含鎳保護層)的包覆B4C顆粒(例如鎳包B4C顆粒)和球墨鑄鐵基體材料制成。較佳地，在本發明的各實施例中，所述含鎳保護層的厚度為10微米以上，優選地為10 50微米，更優選地為10 20微米。采用保護層(例如含鎳保護層)在含B4C顆粒的表面上進行完全包覆或者部分包覆，能夠有效避免或減緩含B4C顆粒的溶解或與鐵基體的反應。在采用含鎳保護層的情況下，可采用化學鍍鎳的方法在含B4C顆粒的表面上包覆一層厚度不小于10微米的金屬鎳。較佳地，在本發明的各實施例中，所述含B4C顆粒的粒度為0. 05 0. 50mm,優選地為0. 10 0. 40mm,更優選地為 0. 10 0. 35mm ；和/ 或所述含B4C顆粒的重量百分比為0. 50 3. 00%，優選地為0. 60 3. 00%，更優選地為0. 70 2. 80%。含B4C顆粒的粒度不宜過大，因為這樣可能會影響最終的復合材料(輻射屏蔽材料)中的B4C顆粒顆粒的分布均勻性，從而不利于實現輻射屏蔽作用。另一方面，含B4C顆粒的粒度也不宜過小，因為這樣可能會導致含B4C顆粒在處理過程中由于部分溶解而變得過小，從而在最終的復合材料(輻射屏蔽材料)中難以實現有效的輻射屏蔽作用。較佳地，在本發明的各實施例中，在將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中時，所述液態的球墨鑄鐵的溫度為1200 1400°C，優選地為1300 1400°C，更優選地為1320 1360°C。由于在本發明的實施例中提供的輻射屏蔽材料制備方法中采用球墨鑄鐵作為基體材料，因而與現有技術中采用鋼材料作為基體的方案相比能夠大幅度地降低澆注溫度，一方面降低了制造成本，另一方面減少了由于高溫所致的含氏(顆粒的過度溶解或化學反應。根據本發明的另一方面，提供一種用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料，所述用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料利用如前所述的制備方法制成。較佳地，在本發明的各實施例中，所述用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料中包含的硼的重量百分比為0. 5-3. 0%，優選地為1. 0-2. 0%，更優選地為1. 5-2. 0%。較佳地，在本發明的各實施例中，所述球墨鑄鐵是QT500-7至QT700-2的球墨鑄鐵。其中，應理解QT500-7至QT700-2是球墨鑄鐵的國標號。根據本發明的又一方面，提供一種輻射屏蔽結構，其通過如前所述的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料構成。在本發明提供的第一實施例中，可采用B4C顆粒和球墨鑄鐵制備復合材料作為輻射屏蔽材料，其中1、準備含B4C顆粒粒度為0. 1 0. 35mm的純B4C顆粒。2、準備球墨鑄鐵鐵水按照QT500-7 QT700-2的球墨鑄鐵的化學成分要求配制爐料并熔化為鐵水(例如，在感應電爐中熔化為鐵水)，鐵水出爐時進行球化(例如可用普通稀土鎂硅鐵進行球化)，然后進行孕育(例如用75Si-Fe進行孕育)。3、澆注在適合溫度下(例如1320 1360°C )澆注鑄件，即，將含B4C顆粒(無包覆的純B4C顆粒)隨流加入液態球墨鑄鐵(鐵水)中，含B4C顆粒的加入量為0.70 2. 8wt% (重量百分比)。4、凝固將包含有液態球墨鑄鐵(鐵水)和含B4C顆粒的所述含硼球墨鑄鐵液體凝固，以形成具有球墨鑄鐵基體和B4C顆粒的復合材料，作為輻射屏蔽材料。在本發明提供的第二實施例中，可采用全包覆的鎳包氏(顆粒和球墨鑄鐵制備復合材料作為輻射屏蔽材料，其中1、準備含B4C顆粒其為全包覆的鎳包B4C顆粒，粒度為0.1 0.35mm。應理解， 根據需要，鎳包B4C顆粒也可為部分包覆的鎳包B4C顆粒。2、準備球墨鑄鐵鐵水按照QT500-7 QT700-2的球墨鑄鐵的化學成分要求配制爐料并熔化為鐵水(例如，在感應電爐中熔化為鐵水)，鐵水出爐時進行球化(例如可用普通稀土鎂硅鐵進行球化)，然后進行孕育(例如用75Si-Fe進行孕育)。3、澆注在適合溫度下(例如1320 1360°C )澆注鑄件，即，將含B4C顆粒(全包覆的鎳包B4C顆粒)隨流加入液態球墨鑄鐵(鐵水)中，含B4C顆粒的加入量為0. 70 2. 8wt% (重量百分比)。4、凝固將包含有液態球墨鑄鐵(鐵水)和含B4C顆粒的所述含硼球墨鑄鐵液體凝固，以形成具有球墨鑄鐵基體和B4C顆粒的復合材料，作為輻射屏蔽材料。通過本發明的實施例提供的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料的制備方法、 用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料和輻射屏蔽結構，能夠形成既有優良核特性又有足夠強度和韌性的高硼含量輻射屏蔽材料和輻射屏蔽結構。本發明的各實施例中提供的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料制備方法主要具有以下優點(1)含B4C顆粒在液態球墨鑄鐵(鐵水)中很少或者不會熔化或溶解，從而能夠有效避免現有技術工藝中存在的硼氧化燒損的缺點，硼收得率高(可達90%以上)；(2)工藝可靠、硼含量高且穩定，結果得到的復合材料中硼含量的重量百分比可達 0. 5 2. 0%，因而作為輻射屏蔽材料能夠有效進行輻射屏蔽；
(3)結果得到的復合材料的力學性能高沖擊韌性不低于25J/cm2，抗拉強度不低于400MPa，而且具有優異的耐摩擦磨損性能；(4)與普通的球墨鑄鐵件的制造工藝相比，通過本發明的實施例的制備方法制備具有球墨鑄鐵基體和B4C顆粒的復合材料作為輻射屏蔽材料，不必增加設備和改變工藝參數，而可直接利用現有技術的制造球墨鑄鐵件的設備和工藝參數，因而制造成本很低。本發明提供的各種實施例可根據需要以任意方式相互組合，通過這種組合得到的技術方案，也在本發明的范圍內。顯然，本領域技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也包含這些改動和變型在內。
權利要求
1.一種用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料的制備方法，其特征在于，包括以下步驟將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中以形成含硼球墨鑄鐵液體； 將所述含硼球墨鑄鐵液體凝固以形成具有球墨鑄鐵基體和B4C顆粒的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料。
2.如權利要求1所述的制備方法，其特征在于，進一步包括在將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中之前，在所述含B4C顆粒的表面上形成完全包覆或部分包覆的保護層。
3.如權利要求2所述的制備方法，其特征在于，所述保護層是含鎳保護層。
4.如權利要求3所述的制備方法，其特征在于，所述含鎳保護層的厚度為10微米以上， 優選地為10 50微米，更優選地為10 20微米。
5.如權利要求1至4中任一項所述的制備方法，其特征在于，所述含^C顆粒的粒度為0. 05 0. 50mm，優選地為0. 10 0. 40mm，更優選地為0. 10 0.35mm ；和/或所述含B4C顆粒的重量百分比為0. 50 3. 00%，優選地為0. 60 3. 00%，更優選地為 0. 70 2. 80%。
6.如權利要求1至5中任一項所述的制備方法，其特征在于，在將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中時，所述液態的球墨鑄鐵的溫度為1200 1400°C，優選地為1300 1400°C，更優選地為1320 13600C ο
7.一種用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料，其特征在于，所述用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料利用如權利要求1-6中任一項所述的制備方法制成。
8.如權利要求7所述的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料，其特征在于，所述輻射屏蔽材料中包含的硼的重量百分比為0. 5-3.0%，優選地為1.0-2.0%，更優選地為1.5-2. 0%。
9.如權利要求7或8所述的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料，其特征在于，所述球墨鑄鐵是QT500-7至QT700-2的球墨鑄鐵。
10.一種用于輻射屏蔽的結構，其特征在于，其通過如權利要求7至9中任一項所述的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料構成。
全文摘要
本發明涉及材料制造領域，特別是涉及用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料、用于輻射屏蔽的結構、及用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料的制備方法，由此能夠形成既有優良核特性又有足夠強度和韌性的高硼含量輻射屏蔽材料和輻射屏蔽結構。所述輻射屏蔽材料的制備方法包括以下步驟將含B4C顆粒加入到液態的球墨鑄鐵中以形成含硼球墨鑄鐵液體；將所述含硼球墨鑄鐵液體凝固以形成具有球墨鑄鐵基體和B4C顆粒的用于輻射屏蔽的碳化硼-球墨鑄鐵材料。
文檔編號C22C37/04GK102392176SQ20111035913
公開日2012年3月28日 申請日期2011年11月14日 優先權日2011年11月14日
發明者趙平, 趙曉邦 申請人:西華大學